一种固态扫描激光雷达装置及其控制方法与流程
本发明属于激光探测技术领域，更具体地，涉及一种固态扫描激光雷达装置及其控制方法。
背景技术：
激光雷达的光束扫描主要包括两大类方案，分别是机械扫描式和固态扫描式，二者的最大区别为是否有机械运动部件来控制光束的空间扫描。随着激光雷达技术的发展和应用领域的拓展，固态扫描激光雷达以其高可靠性及优异指标，越来越受到业界的普遍关注。目前，业界主要推出的固态扫描激光雷达主要包括mems扫描激光雷达和相位扫描式激光雷达。mems扫描激光雷达是基于光学mems扫描微镜来实现的方案，没有宏观意义上的大尺寸扫描微镜，但仍然具有小尺寸的运动扫描面，严格意义上来讲，mems激光雷达不是固态扫描激光雷达，只能是实现了部分功能的固态扫描激光雷达。
相位扫描式激光雷达是通过相位变换来实现光束扫描的装置，无任何宏观和微观运动部件，是严格意义上的固态扫描激光雷达，是固态扫描式的重点发展方向。目前，实现相位扫描的技术方案大部分都是通过单片激光器和集成光学实现，通过将激光器的能量耦合到集成光波导里面，控制光波导里面各光学路径的位相差，进而实现相位扫描的目标。此技术方案的优势是易于集成、尺寸小，劣势是指标目前还达不到工业应用的技术要求，主要被扫描角度、光能利用率等因素限制，因此相位扫描不能适应激光雷达产业的发展应用需求。
鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固态扫描激光雷达装置及其控制方法，其目的在于增加位相延迟器件进行控制发射光束的偏转方向，通过选择同步或者时间顺序错位调节每个像素的位相延迟量，进而实现单线或多线激光雷达的扫描效果，同时控制接收光束的偏转方向与发射光束的偏转方向一致，由此解决如何保持接收光束与发射光束的光轴相互平行的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固态扫描激光雷达装置，所述装置包括发射组件1、光准直元件2、位相延迟器3、接收组件4和控制系统5，其中：
所述发射组件1发出发射光束，发射光束经过所述光准直元件2发送至所述位相延迟器3，光束经过位相延迟器3发生预设角度的偏转后到达所述接收组件4，接收组件4汇集光束形成接收光束，所述控制系统5根据预设角度的偏转控制接收组件4移动，以保持接收光束与发射光束的光轴相互平行。
作为对上述方案进一步的完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。
优选地，所述发射组件1包括光纤激光器11、单模光纤12、光纤分束器13和分路光纤14，其中：
所述光纤激光器11的探测光信号经所述单模光纤12输出至所述光纤分束器13，光纤分束器13将发射光束均匀传输至所述分路光纤14，各分路光纤14的顶端是所述光准直元件2。
优选地，所述光准直元件2选用透镜、光纤球透镜和自聚焦透镜中的一种或多种，光准直元件2将光纤输出的发散光信号转换成平行光信号，准直传输到所述位相延迟器3表面。
优选地，所述位相延迟器3选择液晶、压电陶瓷和光电晶体材质中的一种或多种。
优选地，所述各位相延迟器3接受所述控制系统5的控制进行同步延迟，使得各独立光束进行同步扫描。
优选地，所述各位相延迟器3接受所述控制系统5的控制进行时间顺序错位延迟，使得各独立光束进行非同步扫描。
优选地，所述发射光束经过位相延迟器3后偏转角度在预设角度范围内。
优选地，所述接收组件4包括接收透镜41和接收探测器42，其中：
所述接收透镜41汇聚各位相延迟器3发出的光束，并经过接收透镜41形成接收光束；
所述接收探测器42设置在移动平台上，与所述位相延迟器3之间建立同步控制信号，若发射光束的光轴发生偏转，所述接收探测器42也进行相应角度的偏转，以保持接收光束与发射光束的光轴相互平行。
优选地，所述控制系统5包括发射信号控制器51、同步信号控制器52和接收移动系统控制器53，其中：
控制系统5将发射光束的角度信号变化由所述发射信号控制器51发送至所述同步信号控制器52，由同步信号控制器52传递给所述接收移动系统控制器53，接收移动系统控制器53控制接收探测器42发生相应角度的移动。
按照本发明的另一方面，提供了一种固态扫描激光雷达装置控制方法，所述方法包括：发射组件1发出发射光束，发射光束经过光准直元件2发送至位相延迟器3，发射光束经过所述位相延迟器3发生预设角度的偏转后到达接收组件4，所述接收组件4汇集光束形成接收光束，控制系统5根据预设角度的偏转控制接收组件4移动，以保持接收光束与发射光束的光轴相互平行。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、每一个独立光束对应一个独立的小面阵光学位相延迟器件，以实现每个光束的独立控制。
2、在每个独立的小面阵光学位相延迟器件之间建立同步控制信号，实现单线激光雷达和多线激光雷达无缝切换，且所有切换技术都是固态扫描式，避免了传统机械扫描式激光雷达探测效果不稳定。
3、接收探测器安装在可以移动的探测平台上，可以依据发射光束的角度信号变化快速移动，以保持接收光束与发射光束的光轴相互平行。
附图说明
图1是本发明中提供的固态扫描激光雷达装置示意图；
图2是本发明中提供的固态扫描激光雷达装置发出发射光束示意图；
图3是使用大面阵光学位相延迟器的固态扫描激光雷达装置示意图；
图4是本发明中位相延迟器中无位相延迟示意图；
图5是本发明中位相延迟器中发生正向位相延迟示意图；
图6是本发明中位相延迟器中发生负向位相延迟示意图；
图7是本发明中位相延迟量与偏转角度之间的关系；
图8是本发明中发射光束不发生偏转的接收状态；
图9是本发明中发射光束发生正向偏转的接收状态；
图10是本发明中发射光束发生负向偏转的接收状态；
图11是本发明中选择半导体激光器的原理示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-发射组件；11-光纤激光器；12-单模光纤；13-光纤分束器；14-分路光纤；2-光准直元件；3-位相延迟器；4-接收组件；41-接收透镜；42-接收探测器；5-控制系统；51-发射信号控制器；52-同步信号控制器；53-接收移动系统控制器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例一：
为了实现激光雷达装置内完全没有运动扫描面，以确保探测效果的稳定。本实施例一中提供一种固态扫描激光雷达装置，如图1所示，所述装置包括发射组件1、光准直元件2、位相延迟器3、接收组件4和控制系统5，其中：
所述发射组件1发出发射光束，发射光束经过所述光准直元件2发送至所述位相延迟器3，光束经过位相延迟器3发生预设角度的偏转后到达所述接收组件4，接收组件4汇集光束形成接收光束，所述控制系统5根据预设角度的偏转控制接收组件4移动，以保持接收光束与发射光束的光轴相互平行。
本实施例一中，光纤激光器11发射脉冲探测光信号，光信号经过单模光纤12输出至光纤分束器13，再由光纤分束器13传输至各光分路光纤14。每个光分路光纤14的顶端是光准直元件2，光准直元件2将各光分路光纤14输出的发散光信号转换成平行光信号，准直传输到位相延迟器3表面，各位相延迟器3独立控制发射光束的偏转角度，发射光束经过位相延迟器3后偏转角度在预设角度范围内，经过偏转之后，光束到达接收透镜41，在接收透镜41汇聚各位相延迟器3发出的光束形成接收光束，接收探测器42设置在移动平台上，与位相延迟器3之间建立同步控制信号，若发射光束的光轴发生角度偏转，接收探测器42也进行相应角度的偏转，若发射光束的光轴没有发生角度偏转，接收光束的光轴也不发生偏转，此时，接收探测器42位于接收光束的中心位置，以保持接收光束与发射光束的光轴相互平行。图1中，为了适应性表示发射光束经过位相延迟器3后到达接收透镜41，发射光束为准直光，且未发生偏转。
为了避免出现传统大尺寸准直光束难以均一协调和稳定性差的问题，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图2所示，所述发射组件1包括光纤激光器11、单模光纤12、光纤分束器13和分路光纤14，其中：
所述光纤激光器11的探测光信号经所述单模光纤12输出至所述光纤分束器13，光纤分束器13将发射光束均匀传输至所述分路光纤14，各分路光纤14的顶端是所述光准直元件2。
其中，单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100mbps的以太网以至1g千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。
光纤分束器13是将光纤激光器11发射出的脉冲探测光信号的波长、能量、偏振等特性进行重新分配到不同光纤内的一种器件。光纤分束器是对光信号实现分路、合路和分配的无源器件，是波分复用、光纤局域网、光线有线电视网以及某些测量仪表中不可缺少的光学器件。
本实施例一区别于传统的大尺寸准直光束，选用小尺寸准直光束，将发射光束在光纤分束器13的作用下被分成多个均匀的光束，每个光束都由一个分路光纤14对应，每个分路光纤14的顶端是相同的光准直元件2，光准直元件2可以将光纤激光器11发出的探测光信号准直传输到位相延迟器3表面。
为进一步拓展本发明的应用领域，本实施例一中的探测光源可以切换成更为普遍的半导体激光器。如图11所示，采用光学耦合系统将半导体激光器的光能量耦合在光纤插针，可以将更为普遍的半导体激光器应用在本实施例一中。
为了能够使得光纤激光器11发出的光进行准直，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图2所示，所述光准直元件2选用透镜、光纤球透镜和自聚焦透镜中的一种或多种，光准直元件2将光纤输出的发散光信号转换成平行光信号，准直传输到所述位相延迟器3表面。如图2所示，为了适应性表示发射光束经过位相延迟器3后发射角度会发生偏转，发射光束偏转后对应三个切换角度，分别是“正最大角度”、“光束不偏转”和“负最大角度”，三个切换角度的发射光均为准直光。
本实施例一中，光准直元件2默认为准直传输，且不考虑插损的因素，光准直元件2将每个分路光纤14发出的光进行准直传输到相位延迟器件3表面。
为了能够精确控制发射光束的偏转角度，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图2所示，所述位相延迟器3选择液晶、压电陶瓷和光电晶体材质中的一种或多种。
液晶、压电陶瓷和光电晶体材质可以灵活调节位相延迟量，配置到各像素控制，实现各像素灵活控制。通过调节这些材质的电学参量就可以实现灵活调节位相延迟量，例如压电陶瓷材质通过调节电压实现调节位相延迟量，液晶和光电晶体材质通过调节电流实现调节位相延迟量，以便满足控制发射光束偏转的要求。
如图4至图6，实际光束切换时，光束是在“正最大角度”和“负最大角度”之间连续切换的，装置预先设置偏转的正负方向，逆时针为正角度，顺时针为负角度。
本实施例一中，每个光准直元件2发出的光束到达对应的位相延迟器3上，各个光束接受对应位相延迟器3的调节，位相延迟器3可以单独控制发射光束的偏转角度，也有助于降低位相延迟器3的位相均一性、稳定性和可控性等性能指标要求。如图3所示，若位相延迟器3采用大面阵光学位相延迟器件，每一个像元可以独立调节所控制光束的位相延迟，每部分光束均覆盖多个像素。通过调节每个像素的位相延迟量，可以对光束附加阶梯变化位相，进而控制光束偏转额方向。准直光束若对应大尺寸的位相延迟器件，意味着要在更大尺寸范围内保证光束调节的均一性和稳定性，但是尺寸越大的位相延迟器件，对其均一性和稳定性的影响因素更多，故难以达到性能较好的指标，同时也更难控制。而小尺寸的位相延迟器件，在位相均一性、稳定性、可控性等方面，性能更为优异。对于本领域技术人员来说，10毫米尺寸以内的位相延迟器件属于小尺寸，大于10毫米尺寸的位相延迟器件属于大尺寸。大面阵光学位相延迟器件实际加工时，存在较大的加工难度，对工艺要求非常高。本实施例一采用小面阵光学位相延迟器件进行独立的光学位相延迟，每一个独立光束对应一个独立的小面阵光学位相延迟器3，实现每个光束的独立控制。
为了实现单线激光扫描，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图4至图6，所述各位相延迟器3接受所述控制系统5的控制进行同步延迟，使得各独立光束进行同步扫描。
本实施例一中，在每个独立的小面阵光学位相延迟器3之间建立同步控制信号，如需实现所有光束一起扫描，通过同步控制信号进行调节，使所有的小面阵光学位相延迟器3同步延迟，则所有的独立光束进行同步扫描，可进行大光斑尺寸的激光信号扫描，当位相延迟配置相同时，独立光束发射角度一致且同步形成一个大光斑，可以进行更远距离的远距探测，覆盖更大的扫描范围。同步延迟是指所有的小尺寸位相延迟器3，同步进行相同的位相延迟配置，则对整体而言，所有的小尺寸位相延迟器件3等效为一个大的位相延迟器件，进行大光斑尺寸的扫描。若独立光束是不一致的偏转角度，位相延迟配置不相同。
为了实现多线激光扫描，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图4至图6，所述各位相延迟器3接受所述控制系统5的控制进行时间顺序错位延迟，使得各独立光束进行非同步扫描。
本实施例一中，每个独立的小面阵光学位相延迟器3进行时间顺序错位，避开同步扫描信号，实现多线激光雷达的扫描效果。基于此种控制，不需要进行任何硬件改动，即可实现单线激光雷达和多线激光雷达无缝切换，且所有切换技术都是固态扫描式，避免了传统机械扫描式激光雷达探测效果不稳定。例如将图5重复展示多次，但光纤激光器11不要同时发光，按照时间顺序进行分开发光控制，位相延迟配置随时间改变，发射偏转角度在不同时间段的偏转角度不同，即可实现多线激光扫描。
为了便于控制发射光束经过位相延迟器3后的偏转角度，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图4至图6，所述发射光束经过位相延迟器3后偏转角度在预设角度范围内。
本实施例一中，发射光束经过位相延迟器3之后的光束切换原理如图4至图6所示，每一个长方形代表一个像素，灰色区域长度代表位相的延迟量，不同的长度代表不同的位相延迟量。当所有像素的位相延迟量一致时，光束不发生偏转；当所有像素发生正向位相延迟时，光束朝正角度偏转；当所有像素发生负向位相延迟时，光束朝负角度偏转。所有像素的位相连续变化时，光束实现连续切换偏转。偏转角度一般在10-80度内。
如图7所示，设位相连续变化的区域覆盖n个像元，相邻像元之间的间隔为d，相邻像元之间的位相变化为
其中，
为了保持接收光束与发射光束的光轴相互平行，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图8至图10所示，所述接收组件4包括接收透镜41和接收探测器42，其中：
所述接收透镜41汇聚各位相延迟器3发出的光束，并经过接收透镜41形成接收光束；
所述接收探测器42设置在移动平台上，与所述位相延迟器3之间建立同步控制信号，若发射光束的光轴发生偏转，所述接收探测器42也进行相应角度的偏转，以保持接收光束与发射光束的光轴相互平行。
本实施例一中，为达到最佳的接收探测效果，将接收探测器42安装在可以移动的探测平台上。如图8所示，当发射光束不偏转时，为保证接收光束和发射光束的共轴性，接收光束的光轴也不发生偏转，此时，接收探测器42位于接收光束的中心位置。如图9所示，当发射光束发生正向角度偏转时，即发射光束的主光轴发生旋转，此时发射信号控制器51将角度信号同步给同步信号控制器52，由同步信号控制器52传递给接收移动系统控制器53，接收移动系统控制器53控制接收探测器42发生相应角度的移动，匹配接收探测器42到对应的位置接收光束，接收光束与发射光束的光轴相互平行。如图10所示，当发射光束发生负向角度偏转时，即发射光束的主光轴发生旋转，此时发射信号控制器51将角度信号同步给同步信号控制器52，由同步信号控制器52传递给接收移动系统控制器53，接收移动系统控制器53控制接收探测器42发生相应角度的移动，匹配接收探测器42到对应的位置接收光束，接收光束与发射光束的光轴相互平行。
接收探测器移动系统53控制接收探测器42和发射光束偏转同步，且要实现快速扫描移动。为保证测试效果，本实施例一中，接收探测器42的接收探测器移动系统53优选超精密平移台或精密压电控制陶瓷，移动精度水平优选达到10微米级别。
为了保证控制信号之间的同步性和准确性，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图8至图10所示，所述控制系统5包括发射信号控制器51、同步信号控制器52和接收移动系统控制器53，其中：
控制系统5将发射光束的角度信号变化由所述发射信号控制器51发送至所述同步信号控制器52，由同步信号控制器52传递给所述接收移动系统控制器53，接收移动系统控制器53控制接收探测器42发生相应角度的移动。
本实施例一中，接收探测器42设置在移动平台上，移动平台可以带动接收探测器42旋转或平移，接收探测器42与位相延迟器3之间建立同步信号，光纤激光器11发射的激光信号到达位相延迟器3后，控制系统5对位相延迟器3进行同步延迟操作或者进行时间顺序错位延迟操作，发射光束在经过位相延迟器3后若光束角度发生偏转，接收透镜41汇聚形成的接收光束角度也会发生偏转，接收探测器42在移动平台上接受接收移动系统控制器53的控制进行相应的角度移动，以保持接收光束与发射光束的光轴相互平行。
实施例二：
本实施例二提供一种固态扫描激光雷达装置控制方法，如图1所示，所述方法包括：发射组件1发出发射光束，发射光束经过光准直元件2发送至位相延迟器3，发射光束经过所述位相延迟器3发生预设角度的偏转后到达接收组件4，所述接收组件4汇集光束形成接收光束，控制系统5根据预设角度的偏转控制接收组件4移动，以保持接收光束与发射光束的光轴相互平行。
本实施例二中，光纤激光器11发射脉冲探测光信号，光信号经过单模光纤12输出至光纤分束器13，再由光纤分束器13传输至各光分路光纤14。每个光分路光纤14的顶端是光准直元件2，光准直元件2将各光分路光纤14输出的发散光信号转换成平行光信号，准直传输到位相延迟器3表面，各位相延迟器3独立控制发射光束的偏转角度，发射光束经过位相延迟器3后偏转角度在预设角度范围内，经过偏转之后，光束到达接收透镜41，在接收透镜41汇聚各位相延迟器3发出的光束形成接收光束，接收探测器42设置在移动平台上，与位相延迟器3之间建立同步控制信号，若发射光束的光轴发生角度偏转，接收探测器42也进行相应角度的偏转，若发射光束的光轴没有发生角度偏转，接收光束的光轴也不发生偏转，此时，接收探测器42位于接收光束的中心位置，以保持接收光束与发射光束的光轴相互平行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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